4. HCI层核心概念：命令、事件、数据包格式与编程接口

HCI（Host Controller Interface）是蓝牙协议栈中主机（Host）与控制器（Controller）之间的通信桥梁。在Linux蓝牙驱动中，HCI层负责将上层协议栈的请求转换为控制器可执行的命令，并将控制器的状态变化和事件通知给上层。理解HCI层的核心概念是进行低功耗蓝牙（BLE）参数配置与性能调优的基础。

4.1 HCI数据包格式

HCI层定义了四种数据包类型，每种类型通过特定的包指示符（Packet Indicator）进行区分。主机与控制器之间的数据交换均遵循此格式。

4.1.1 HCI命令包结构

HCI命令包由操作码（OpCode）、参数总长度和参数三部分组成。操作码又分为OGF（OpCode Group Field）和OCF（OpCode Command Field）。

+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
| 0x01   | OGF    | OCF    | Length | Param0 | Param1 | ...
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
  1 byte   2 bytes           1 byte   Length bytes

• OGF（6 bits）：命令组，如链路控制（0x01）、链路策略（0x02）、控制器与基带（0x03）等。
• OCF（10 bits）：具体命令码，如LE Set Advertising Parameters的OCF为0x0006。
• Length：后续参数的总字节数。

4.1.2 HCI事件包结构

事件包是控制器主动上报给主机的异步消息，用于通知命令完成、连接状态变化、LE广播接收等。

+--------+--------+--------+--------+--------+
| 0x04   | Event  | Length | Param0 | Param1 | ...
+--------+--------+--------+--------+--------+
  1 byte   1 byte   1 byte   Length bytes

• Event Code：事件类型，如Command Complete（0x0E）、LE Meta Event（0x3E）等。
• Length：后续参数的总字节数。
• Parameters：事件携带的具体数据，如命令完成状态、连接句柄等。

4.2 HCI命令与事件交互流程

主机下发命令后，控制器必须返回一个事件作为响应。典型的交互流程如下：

4.3 HCI Socket编程接口

Linux内核提供了基于Socket的HCI用户空间编程接口，允许应用程序直接与蓝牙控制器交互。HCI Socket使用AF_BLUETOOTH协议族，协议类型为BTPROTO_HCI。

4.3.1 创建与绑定HCI Socket

#include <sys/socket.h>
#include <bluetooth/bluetooth.h>
#include <bluetooth/hci.h>

int main() {
    int sk;
    struct sockaddr_hci addr;

    // 创建HCI Socket
    sk = socket(AF_BLUETOOTH, SOCK_RAW, BTPROTO_HCI);
    if (sk < 0) {
        perror("socket");
        return -1;
    }

    // 绑定到指定控制器（hci0）
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.hci_family = AF_BLUETOOTH;
    addr.hci_dev = 0;  // hci0
    addr.hci_channel = HCI_CHANNEL_RAW;

    if (bind(sk, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) < 0) {
        perror("bind");
        close(sk);
        return -1;
    }

    // 发送HCI命令
    // ...

    close(sk);
    return 0;
}

4.3.2 发送HCI命令与接收事件

通过send()和recv()系统调用直接操作HCI数据包。

// 发送LE Set Advertising Parameters命令
struct hci_request rq;
le_set_advertising_parameters_cp cp;
uint8_t status;

memset(&cp, 0, sizeof(cp));
cp.interval_min = htobs(0x00A0);  // 160ms
cp.interval_max = htobs(0x00F0);  // 240ms
cp.advtype = 0x00;                // 可连接可发现广播

memset(&rq, 0, sizeof(rq));
rq.ogf = OGF_LE_CTL;
rq.ocf = OCF_LE_SET_ADVERTISING_PARAMETERS;
rq.cparam = &cp;
rq.clen = sizeof(cp);
rq.rparam = &status;
rq.rlen = 1;

if (hci_send_req(sk, &rq, 1000) < 0) {
    perror("hci_send_req");
    close(sk);
    return -1;
}

if (status) {
    printf("命令失败，状态码: 0x%02x\n", status);
}

4.4 hci_dev结构体

在内核中，每个蓝牙控制器对应一个struct hci_dev结构体实例。该结构体是HCI层的核心数据结构，包含了控制器的所有状态、配置和操作函数指针。

4.4.1 关键字段

4.4.2 设备状态机

4.5 hci_ops回调函数

struct hci_ops是硬件驱动层与HCI核心层之间的契约。每个蓝牙控制器驱动必须实现这些回调函数，HCI核心层通过调用这些函数与具体硬件交互。

4.5.1 核心回调函数

4.5.2 回调函数调用链

4.5.3 驱动实现示例（UART驱动片段）

static int h5_send(struct hci_dev *hdev, struct sk_buff *skb)
{
    struct h5 *h5 = hci_get_drvdata(hdev);
    struct sk_buff *nskb;
    int err;

    // 添加H4头部（包指示符）
    nskb = skb_clone(skb, GFP_ATOMIC);
    if (!nskb)
        return -ENOMEM;

    // 通过串口发送数据
    err = serdev_device_write_buf(h5->serdev, nskb->data, nskb->len);
    if (err < 0) {
        bt_dev_err(hdev, "Failed to send data (%d)", err);
        kfree_skb(nskb);
        return err;
    }

    kfree_skb(nskb);
    return 0;
}

static const struct hci_ops h5_ops = {
    .open   = h5_open,
    .close  = h5_close,
    .send   = h5_send,
    .flush  = h5_flush,
    .setup  = h5_setup,
    .set_bdaddr = h5_set_bdaddr,
};

4.6 本章小结

• HCI数据包是主机与控制器通信的最小单元，命令包和事件包构成请求-响应模型。
• HCI Socket提供了用户空间直接操作控制器的能力，适用于调试和定制化开发。
• hci_dev是内核中蓝牙控制器的抽象，管理设备状态、连接和广播实例。
• hci_ops是驱动与核心层的接口，驱动开发者必须实现这些回调以支持硬件。